CN1197328A - 邻近耦合差动式输入/输出声表面波设备 - Google Patents

Abstract

本公开说明涉及邻近耦合的差动式输入/输出声表面波设备。该公开的设备包括N个声道,其中N至少等于二。这些声道是邻近耦合的。第一特定声道包括至少一个被分成几个在电气上相互并联的部分的振子以形成第一差动端(E+)和第二差动端(E－)。可以选择振子的各个部分的极性以便使第一差动端(E+)与第二差动端(E－)在电气上对称。该专利申请尤其涉及移动电话中使用的声表面波滤波器。

Description

邻近耦合差动式输入/输出声表面波设备

本发明涉及表面波设备，尤其涉及在许多应用场合，特别是在移动电话中使用的邻近耦合表面波滤波器。

表面波滤波器在压电基片的表面传播声波，通过在基片表面适当地放置的电极来改变表面波的传播从而获得滤波特性，表面波的传播是表面波频率的函数。这些电极有几种结构，可以根据所得到的结果从中选择。这些结构尤其包括带横向邻近耦合谐振器的结构。

为了清楚起见，此处借用已知的两极滤波器的例子来说明具有横向邻近耦合谐振器的滤波器的基本原理。这种滤波器具有两个邻近耦合的谐振器。每个谐振器都由处在两个反射栅之间的振子形成。这些振子和反射栅通常具有一段长度约为半个波长的金属涂敷。第一谐振器连接到滤波器的输入端上，第二谐振器连接到输出端上。输入谐振器包括梳状电极，梳状电极的叉指与接地电极的叉指相互交错。这种振子产生的声波向左右两个与振子的叉指平行的叉指反射栅发射，当断开接地电极时，反射栅就可以获得这些声波。连接到输出端上的谐振器与连接到输入端上的谐振器是轴对称的，该轴与输入谐振器产生的声波的传播方向是平行的。谐振器有一个振子和两个反射栅。由于地是公共的，因此相应的接地电极都被连在一起并被连接到地输出端上。通过把两个谐振器装配在一起使它们实现邻近耦合。这样就可以将这种结构近似看作为一个将两个波导放到一起的整体。每个单独考虑的波导的传布方式可以转换成两种方式，即对称方式和不对称方式。当两个谐振器之间的距离比较大时，这两种传播方式的声波传播速度非常接近，它实际上等于独立波导传播方式的传播速度。因此耦合非常弱。当两个谐振器隔开一段距离时，这种现象更明显。当两个谐振器之间的距离减小时，这两种传播方式的声波传播速度有所不同并且耦合增强。可以证明这种结构的耦合系数约等于对称传播方式的频率f_s与不对称传播方式的频率f_a之间的标准差k，其中k＝2(f_a-f_s/f_a+f_s)。

这种耦合于是决定了这种类型滤波器的相对的通带。一般来说，两极滤波器的衰减特性很差，通带两侧太缓。因此需要将几个两极结构的滤波器进行简单级联来产生四极到六极或更多极结构的滤波器。

这种结构的缺点在于中心总线是公共点，而该公共点被连接到地上。于是这种总线的特性禁止使用差动式连接，而差动式连接的需求却日益增大，因为集成电路正朝着差动式结构发展。

获得具有差动式结构的横向耦合声表面波滤波器的第一种方法已为行家们所知(美国专利5365138)。这是一种具有差动输入和差动或非差动输出的横向耦合两极滤波器，它用两个被隔开半个波长的不同振子来代替与输入端连接的谐振器的振子。地仍然是公共的，相应的电极也都连在一起。而输入谐振器的每个振子则连接到一个差动输入端上。

通过以与输入谐振器的振子同样的方式将输出谐振器的振子分成两部分，于是这种结构允许差动输入和差动输出。比较而言，这种滤波器的主要缺点是输入阻抗较高，它实际上等于每个振子的两个差动输入端之间的输入阻抗的总和，因为可以认为各个振子是用接地电极串联起来的。为了解决这个问题，可以用另一种具有低输入阻抗的滤波器。这种滤波器的基本思想在于直接以差动方式使用输入振子。这意味着振子被连接在差动输入的正端和负端之间。这种结构要求将中心总线分成两部分，第一部分是输出谐振器的接地总线，第二部分是输入谐振器的差动输入总线。

这种结构的输入端子是能以相当于输入振子的阻抗的低输入阻抗差动工作。而这种结构的主要缺点是在差动工作方面，这就是正差动输入端与负差动输入端之间不对称。

为克服此缺点，可以将两个上述结构的滤波器并联连接来获得一个具有差动输入的两极滤波器(参考：B.Wall，W.du Hamel：″Balanced driven transversely coupled resonator filters″，1996 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings)。可以通过改变振子的极性来补偿它们的正和负差动输入变换。

最后指定的这种滤波结构的输入端于是能以正差动输入端与负差动输入端完全对称的方式并且以相当于各个振子的并联阻抗值的非常低的输入阻抗差动工作。不过，这对基片的实际宽度有要求。

本发明的目的是克服上述缺点。

为此，本发明的对象是所有N个声道都邻近耦合的声表面波设备，其中N至少等于二，所有声道都有一定的传导长度，这些声道都并列放置在基片上并且从1到N连续编号。所述设备包括含有至少一个振子的第一特定声道，振子上有两条带电极的连接总线，振子被分成第一差动端和第二差动端这几个在电气上相互并联的部分，可以选择振子的各个部分的极性以便使第一差动端和第二差动端在电气上对称。

根据一个可能的实施例，该声表面波设备还包括连接到第三端上的第二特定声道，第二端最好作为设备的输出端。

根据本发明的优选实施例，该设备是声表面波滤波器，它的第一端和第二端最好作为第一差动输入端和第二差动输入端，该设备的每个声道都由谐振器所组成，其中谐振器是由两个反射栅之间的振子构成的。每个振子包括两条带电极的连接总线。在该实施例中，两个输入端的电气对称性是通过使两个振子的输入端的极性相反来获得的，即将两个振子的两条外部总线(和各自的内总线)连接到两个不同极性的输入电压上。这种输入极性的相反可以通过将振子移动半个波长或通过连接电极以便维持两个半振子之间的接点上的正和负极性的交替。

连接到滤波器输出端的谐振器最好具有与连接到输入的谐振器相同的结构，从而使滤波器的输出端象输入端那要也能差动工作。

根据另一个特性，连接到该滤波器的输出端上的谐振器包括三个振子，它们的长度分别等于谐振器传导总长度的1/4、1/2和1/4，这些振子在电气上并联连接以形成两个差动输出端。

以下特定示范性实施例的说明可以清楚地显现出本发明的其它性能和优点。所选出的例子是由几个连续编号为1到N的声道构成的声表面波滤波器，每个编号为n的声道是由一个被相同编号n识别的谐振器构成的，这些声道被并联布置在基片上。在说明中仅使用术语“谐振器”。

将参考附图进行说明，在附图中：

图1示出了按照本发明第一实施例的两极滤波器；

图2是图1所示滤波器的电极的草图；

图3示出了按照本发明第二实施例的三极滤波器；

图4示出了按照本发明第三实施例的两极滤波器；

图5是图4所示滤波器的电极的草图；

图6示出了按照本发明第四实施例的三极滤波器；

图7示出了图4所示滤波器的振子之间的各个互电容；

图8示出了按照本发明第五实施例的两极滤波器；

图9示出了按照本发明第六实施例的三极滤波器。

在这些图中，类似的元件用相同的数字或字母来表示。

图1给出了按照本发明的具有差动输入的两极滤波器的结构的简单示意图。该滤波器具有两个差动输入端E₊、E_-，它们之间输入需要滤波的信号，输出端S产生相对于基准地的滤波后的信号。该滤波器包括两个邻近耦合的谐振器1和2。连接到差动输入端E₊和E_-上的谐振器1包括两个处于振子两侧的反射栅3和4，振子被分成两部分，即第一振子5和第二振子6。连接到输出端S上的谐振器2包括处于单个振子9两侧的反射栅7和8。每个振子5、6和9分别包括两条连接总线10与11、12与13、14与15。连接总线14与地相连。第一振子5与第二振子6并联形成两个差动输入端E₊和E_-。通过使第一振子5和第二振子6之间的连接总线的极性相反可以使两个差动输入端E₊和E_-对称。图2给出了组成两个谐振器1和2的各个振子与反射栅的电极的布置示意图，该图清楚地显现出这种极性的相反。为了清楚起见，所示结构非常简单，尤其是它只包括少量的叉指电极。实际上，每个电极的叉指数目要比图中所示的高得多，它符合于技术行家们所知的标准。虚线框中所示的第一振子5包括用连接总线10连接到差动输入端E₊上的第一电极16和用连接总数11连接到差动输入端E_-上的第二电极17。两个电极16和17的叉指相互交错形成正电极和负电极的交替分布，它们相互隔开约半个波长λ/2的距离。λ是滤波器中心工作频率的波长。虚线框中所示的第二振子6被沿声表面波的传播方向放置在第一振子5的旁边。第二振子6包括用连接总线12连接到差动输入端E_-的第一电极18和用连接总线13连接到差动输入端E₊上的第二电极19。根据这种布置，振子5和6的连接总线的极性相反。这样就能够使输入端E₊和E_-电气对称。实际上，由于总线11和13与总线10和12不同，因此这们的阻抗值(相对于地和相对于输出端S)是不平衡的。事实上，通过将总线10与13并联和将总线11与12并联使关联后的输入端E₊和E_-对每个输入来说都是平衡的。通过选择叉指的极性以便保持正电极和负电极的交替分布得到了差动输入滤波器，这种滤波器的输入阻抗与输入谐振器的振子没有被分成两部分的那种类似的滤波器的输入阻抗相等。

连接到差动输入端E₊和E_-的谐振器1与连接到输出端S的谐振器2是邻近耦合的。连接到输出端S的谐振器2包括虚线框中所示的单个振子9。

振子9包括用连接总线15连接到输出端S上的第一电极20和用连接总线14连接到地上的第二电极21。上述用于说明本发明滤波器的基本结构的例子是一个两极滤波器。通过采用带差动输入的三极滤波器很容易改善本发明的滤波器的衰减特性和改善通带两侧的斜度。图3示出了按照本发明的这种滤波器。与以上参考图1和图2所述的两极滤波器相比，该三极滤波器包括放置在输入谐振器与输出谐振器之间的第三谐振器22。该第三谐振器22被邻近耦合到输入谐振器1和输出谐振器2上。它不用于输入或输出，而是被连接到地上。按照这个例子，可以通过增加输入谐振器1与输出谐振器2之间的谐振器或者通过在谐振器1和谐振器2形成区以外的谐振器1侧或谐振器2侧的基片上加入谐振器来构造极数大于三的按照本发明的滤波器。

在上述用于对本发明加以说明的例子中，输出端与是非差动式的。不过，在本发明的范围内完全可能利用如图4所示的等同于输入谐振器的输出谐振器。连接到差动输出端S₊和S_-上的谐振器2包括两个位于被分成第一振子28和第二振子29两部分的振子两侧的反射栅7和8。第一振子28和第二振子29每个都分别包括两条连接总线30与31、32和33。第一振子28与第二振子29并联形成两个差动输出端S₊和S_-。通过使第一振子28与第二振子29之间的连接总线30与32和31与33的极性相反可以使差动输出端S₊与S_-之间对称。图5以与图2同样的方式给出了构成两个谐振器1和2的各个振子与反射栅的电极的布置示意图，从中可以清楚地看出极性的相反。图5所示的示范性滤波器具有连接到差动输出端S₊和S_-上的谐振器2。谐振器2的结构与连接到差动输入端E₊与和E_-上的谐振器1的结构是关于声波传播轴对称的。

正如在图1、2和3中所述的非差动输出滤波器的情况下那样，通过采用三极滤波器可以很容易地改善本发明差动输出滤波器的主衰减特性和通带两侧的斜度。图6示出了这种滤波器。图6所示的与图3所示滤波器同样方式的滤波器是一个三极滤波器，它是通过在图4和5所示的两极滤波器的两个谐振器之间放置一个第三谐振器得到的。

这样，图4、5和6所示的滤波器结构具有使两个差动输入端E₊和E_-之间对称以及使差动输出端S₊与S_-之间对称的优点。不过，就图4所示的具有两个邻近耦合谐振器的滤波器来说，其主要衰减特性是使输入谐振器的振子与输出谐振器的振子之间的互电容平衡。这些电容可以示意性地用图7来表示。当满足下列关系时就能使互电容达到平衡：C₊₊＝C_-+     (1)

                              C_--＝C_+-     (2)

在要这些情况下，输入端与输出端之间没有直接电容通路。图4和5所示的滤波器结构不满足关系式(1)和(2)。这种结构图形只能满足下列关系：

C₊₊＝C_--    (3)

C_+-＝C_-+    (4)

关系式(3)和(4)不能象非差动输出结构那样消除电容性耦合的输入和输出之间的直接通路。

本发明的变型用于克服这一缺点。相应的滤波器的结构如图8和9所示。

图8是一个两极滤波器。为了减轻输入与输出之间的直接通路的影响，对图4和5所示的结构中连接到差动输出端S₊和S_-上的谐振器2作了修改。连接到差动输出端S₊和S_-上的谐振器的振子被分成第一振子38、第二振子39和第三振子40这三部分，每个振子分别包括两条连接总线41和42、43和44、45与46。每个振子的长度分别为连接到差动输入端E₊和E_-上的谐振器1的传导总长度的1/4、1/2和1/4。

这三个振子38、39和40位于其它振子的同一侧，它们是按照图1中所述的规则并联的。这样，这种滤波器的结构能同时保证差动输入端E₊和E_-之间对称。图9示出了同样的三极滤波器的结构。本发明基本上是参照两极滤波器和三极滤滤器来加以说明的。可以通过两极滤波器或三极滤波器的级联或者通过按照参考图3、6和9所述的原理将足够的谐振器耦合起来从而获得具有更多极的按照本发明的滤波器。此外，在某些情况下，单个振子具有与谐振器的振子完全相同的作用，因而反射栅可以非常短(例如，10到50个叉指)或者不存在。在极数大于二的滤波器中，那些没有连接到输入端或输出端上的谐振器被看成是由两个反射栅之间的振子所构成的谐振器。然而，由于这些谐振器与地相连，因此便于用短路的电极栅来代替振子。最后，假定在上述例子中，每个声道都是由谐振器构成的，这些谐振器只有一种谐振方式。本发明的范围显然能扩大到采用n个声道邻近耦合的任何类型的声表面波设备，不管这些声道是否由谐振器构成。特别是能够得到在同一个声道中具有以模式提供的输入端和输出端的这样一种设备。

本发明基本上是参考具有差动输入的声表面波滤波器的特定例子来加以说明的。按照同样的原理，本发明可以应用到具有单输入和差动输出的设备中。

还可以得到这样一种无输出端的设备，例如只用输入端之间的阻抗来实现滤波器。

Claims (13)

1、一种所有N个声道都采用邻近耦合的声表面波设备，其中N至少等于二，所有声道都有一定的传导长度，这些声道都并联放置在基片上并且从1到N连续编号，其中所述设备包括含有至少一个振子的第一特定声道，振子上包括两条带电极的连接总线，振子被分成几个在电气上相互并联的部分以形成第一差动端(E₊)和第二差动端(E_-)，可以选择振子的各个部分的极性以便使第一差动端(E₊)和第二差动端(E_-)在电气上对称。

2、根据权利要求1所述的设备，还包括连接到第三端上的第二特定声道。

3、根据权利要求2所述的设备，其中第一特定声道相当于该设备中编号为1的声道，其中第二声道相当于该设备中编号为2的声道，其中第一差动端和第二差动端构成该设备的第一差动输入端(E₊)和第二差动输入端(E_-)，其中第三端构成该设备的输出端(S)。

4、根据权利要求3所述的设备，其中编号为N的声道包括至少一个被分成几个在电气上相互并联的部分的振子从而可以实现将输出端(S)细分成第一差动输出端(S₊)和第二差动输出端(S_-)，可以选择振子的各个部分的极性以便使第一差动输出端(S₊)与第二差动输出端(S_-)在电气上对称。

5、根据权利要求4所述的设备，其中编号为1的声道的振子的各部分的长度分别约等于该声道的传导长度的1/4、1/2和1/4。

6、根据权利要求4所述的设备，其中编号为N的声道的振子的各部分的长度分别等于该声道的传导长度的1/4、1/2和1/4。

7、根据权利要求1所述的设备，其中第一特定声道的振子的电极被切割成规则序列的叉指从而形成正负电极的交替分布。

8、根据权利要求1所述的设备，其中N个邻近耦合的声道中的每一个都是由谐振器构成的，谐振器包括处在两个反射栅之间的振子。

9、根据权利要求8所述的设备，其中编号为1的声道的谐振器和编号为N的声道的谐振器具有相同的结构，它们相互间关于声表面波的传播轴对称。

10、根据权利要求2所述的设备，其中第一特定声道对应于该设备中编号为N的声道，其中第二声道对应于该设备中编号为1的声道，其中第一差动端和第二差动端构成该设备的第一差动输出端(S+)和第二差动输出端(S-)，其中第三端构成该设备的输入端。

11、根据权利要求10所述的设备，其中编号为N的声道的振子的各部分的长度分别约等于该声道的传导长度的1/4、1/2和1/4。

12、根据权利要求10所述的设备，其中编号为N的声道的谐振器的电极被切割成规则序列的叉指从而形成正负电极的交替分布。

13、根据权利要求12所述的设备，其中N个邻近耦合的声道中的每个都是由谐振器构成的，谐振器包括处在两个反射栅之间的振子。

Images